Моделирование процессов перемешивания теплоносителя в реакторе кодами ТРАП-КС, ДКМ и КОРСАР/ГП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование процессов перемешивания теплоносителя в реакторе кодами ТРАП-КС, ДКМ и КОРСАР/ГП

реактор теплоноситель перемешивание

М.А. Быков, Е.А. Лисенков, Ю.А. Безруков,

А.М. Москалев, Г.В. Алехин, Ю.В. Беляев,

С.И. Зайцев, М.О. Закутаев, С.А. Курбаев 

ОАО ОКБ “ГИДРОПРЕСС”, г. Подольск

При анализе переходных и аварийных режимов РУ с возникновением асимметрии поля температур и/или концентрации бора на входе в реактор возникает необходимость расчета процесса перемешивания теплоносителя в корпусе реактора.

Экспериментальные исследования на действующих энергоблоках с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 показали наличие частичного перемешивания в реакторе. При этом перемешивание потоков теплоносителя из петель происходит как вследствие турбулентного перемешивания, так и за счёт углового поворота потока при движении его в корпусе реактора.

Учет пространственных эффектов в камерах реактора, в сочетании с использованием моделей расчета пространственной нейтронной кинетики дает возможность определения тепло-гидравлической обстановки в активной зоне в более реалистическом приближении, чем в предположении идеального перемешивания или полного его отсутствия.

В настоящее время, в ОКБ «Гидропресс», для расчета режимов с несимметричной работой циркуляционных петель применяются программные комплексы ТРАП-КС/1/, ДКМ/2/ и КОРСАР/ГП /3,4/, включающие как модели пространственной кинетики в активной зоне, так и модели перемешивания теплоносителя в камерах реактора.

Для расчета процессов перемешивания в напорной и сборной камерах реактора и определения поля температур и/или концентрации бора на границах активной зоны разработан и включен в состав этих комплексов программный модуль КАМЕРА.

Комплекс КОРСАР/ГП позволяет также моделировать процессы перемешивания теплоносителя в корпусе реактора путем разбиения камер на достаточно большое количество объемов в радиальном и аксиальном направлении и моделирования гидравлических связей между этими элементами.

Для учета межпетлевого перемешивания в модуле КАМЕРА в уравнении энергии используется коэффициент турбулентного массообмена (турбулентной диффузии), значение которого и зависимость от режимных параметров могут быть определены на основании экспериментальных или теоретических исследований.

Входными параметрами программного модуля КАМЕРА являются значения давления, удельной энтальпии (температуры), концентрации бора и расхода теплоносителя в патрубках реактора и в каналах активной зоны, прилегающих к соответствующей камере реактора.

Выходными параметрами являются распределения расходов, удельной энтальпии теплоносителя и концентрации бора в расчетных элементах камер, включая значение параметров на границе патрубков и каналов активной зоны, распределение температуры металла корпуса реактора и тепловой поток от корпуса реактора к теплоносителю.

Расчетная схема математической модели расчета процессов в НКР предусматривает разбиение камеры на опускную и подъемную части. Опускная часть НКР состоит из кольцевого объема, соединенного с подъемным участком (рисунок 1). Опускная часть НКР разбивается на секторные расчетные каналы, а подъемная часть НКР на шестигранные расчетные каналы. Подъемная часть НКР разбивается по сечению на шестигранные объемы, соответствующие каналам активной зоны. Расчетные каналы опускной части НКР и шестигранные объемы подъемной части НКР представлены несколькими участками по высоте.

В математической модели использована смещенная расчетная сетка. Значения удельной энтальпии теплоносителя и концентрации бора сосредоточены в центре расчетных элементов. Значения расходов теплоносителя и соответственно потоков энтальпии и бора сосредоточены на границах расчетных элементов. При расчете потоков энтальпии и бора использован принцип "донорской" ячейки.

В уравнениях сохранения энергии и массы бора в расчетных элементах, наряду с традиционными конвективными членами, учитывающими притоки (стоки) энтальпии теплоносителя и бора из соседних элементов, учитывается эффект турбулентного тепло и массообмена между соседними ячейками, который описывается при помощи коэффициента турбулентного массообмена (турбулентной диффузии).

Удельный турбулентный поток тепла Q_T между соседними ячейками описывается соотношением:

. (1)

• где - плотность теплоносителя;
• С_р - теплоемкость;
• _T - коэффициент турбулентной температуропроводности;
• T - градиент температур между двумя расчетными ячейками;
• h - градиент удельной энтальпии.
• Удельный турбулентный массообмен Q_СВ между соседними ячейками описывается соотношением:
• , (2)
• где _CB - коэффициент турбулентной диффузии для бора;
• С_В - градиент по концентрации бора между двумя расчетными ячейками.


Рисунок 1 - Расчетная схема реактора

Предполагается, что значение коэффициента турбулентного массообмена зависит от значения Re (критерий Рейнольдса) и может быть задано табличной зависимостью.

Кроме того, зависимость коэффициента турбулентной диффузии от числа Рейнольдса определяется с использованием соотношения /5/

, (3)

где _Т - коэффициент турбулентной диффузии, м²/с;

К - параметрический коэффициент, вводимый пользователем;

Re - число Рейнольдса;

f - параметр, определяемый по формуле (4);

- коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

(4)

Значение абсолютной скорости в ячейках опускной части НКР и для области с секторными объемами СКР определяется в виде соотношения (5):

, (5)

где W_z и W_y - скорости теплоносителя в аксиальном и тангенциальном направлениях.

Форма зависимости коэффициента турбулентной диффузии от числа Re принимается идентичной как для уравнений изменения удельной энтальпии теплоносителя, так и для уравнений изменения концентрации бора.

Принятые в расчетах значения коэффициента турбулентного массообмена должны подтверждаться результатами экспериментальных исследований.

В математической модели приняты следующие основные допущения:

- суммарный расход в аксиальном направлении в камере реактора определяется по значениям расхода теплоносителя в петлях РУ или на выходе из активной зоны в ходе итерационного решения системы гидродинамических уравнений в программе общеконтурного расчета теплогидравлических параметров;

- металлоконструкции являются абсолютно жесткими и в рассматриваемых процессах не деформируются;

- расчет температуры стенки корпуса реактора в расчетных ячейках проводится в предположении отсутствия переноса тепла за счет теплопроводности вдоль тангенциального и аксиального направления корпуса реактора;

- теплофизические свойства металлоконструкций полагаются постоянными в течении всего рассматриваемого процесса;

- коэффициенты теплоотдачи и гидравлического сопротивления рассчитываются в квазистационарном приближении;

- предполагается, что в камерах реактора отсутствует объемное кипение теплоносителя;

- теплоноситель предполагается несжимаемым в расчетных ячейках.

Расчет теплового потока от металла корпуса реактора к теплоносителю определяется для каждой из расчетных ячеек опускного участка.

Взаимосвязи по теплогидравлическим параметрам между опускным и подъемным участками НКР определяются с учетом сохранения материального и энергетического балансов.

При переходе от опускного участка к подъемному участку НКР также предполагается, что происходит мгновенное азимутальное смещение потоков теплоносителя. Этот эффект учитывается путем задания зависимости угла смещения в зависимости от расхода теплоносителя через реактор, т.е. изменением ориентации первого сектора относительно вертикальной оси.

Подъемный участок напорной камеры, как правило, разбивается на количество шестигранных ячеек, равное количеству кассет в активной зоне реактора.

Для верификации программных комплексов ТРАП-КС, ДКМ и КОРСАР/ГП в части моделирования процессов перемешивания теплоносителя в камерах реактора в ОКБ "ГИДРОПРЕСС" создан специальный стенд.

Стенд моделирует первый контур реакторной установки с ВВЭР-1000, состоит из главного циркуляционного контура и вспомогательных систем.

Главный циркуляционный контур стенда имеет четыре петли с моделью реактора и компенсатором давления.

На каждой циркуляционной петле стенда установлены:

- циркуляционный насос;

- задвижка с электроприводом;

- расходомерное устройство;

- расширитель.

Основным элементом ГЦК является модель реактора ВВЭР-1000, выполненная в линейном масштабе 1:5, на которой смоделирована геометрия проточного тракта от входных патрубков до входа в активную зону. Объём модели реактора составляет 0,888 м³.

Вместо имитаторов ТВС на днище шахты модели реактора установлена "кассета", представляющая собой пучок из 91 трубы диаметром 14х2 мм, собранный с помощью трёх дистанционирующих решёток, моделирующих гидравлическое сопротивление активной зоны и блока защитных труб. Через крышку модели в эти трубки устанавливаются зонды с кондуктометрическими датчиками для измерения концентрации соли NaCl.

Кондуктометрические датчики концентрации NaCl на модели реактора установлены во всех входных и выходных патрубках модели реактора и на входе в модель активной зоны (90 шт).

Вспомогательные системы обеспечивают:

- подготовку и ввод раствора соли;

- заполнение и продувки главного циркуляционного контура;

- измерение технологических и исследовательских параметров.

Программные комплексы предназначеныдля расчета различных переходных и аварийных режимов, которые могут проходить на реальных установках - прохождение пробки конденсата при пуске ГЦН и при восстановлении естественной циркуляции, режимы с несимметричным впрыском раствора борной кислоты при различном количестве работающих ГЦН.

При определении перечня и режимных параметров экспериментов руководствовались следующими условиями и требованиями.

Эксперименты предназначаются для верификации расчётных моделей в части явления перемешивания теплоносителя.

Перечень экспериментов должен включать три характерные области течения жидкости в реакторной установке:

- область режимов, в которой определяющими являются инерционные силы, характеризующиеся числом Струхаля - эксперименты с включением насоса;

- область режимов, в которой определяющими являются гравитационные силы, характеризующиеся критерием Фруда - эксперименты с подачей теплоносителя с различной плотностью при расходах, соответствующих уровню естественной циркуляции;

- область режимов напорного движения жидкости, в которой определяющими являются силы трения, характеризующиеся критерием Рейнольдса - эксперименты при работе различного числа ГЦН.

Параметры экспериментов (ускорение потока, скорости движения теплоносителя, разности плотностей теплоносителя) должны соответствовать натурным параметрам с учётом масштабного фактора и возможностей стенда.

Для верификации кодов определено 10 экспериментов, объединённых в следующие три группы.

Первая группа - эксперименты, моделирующие перемешивание потоков с разной концентрацией бора при пуске ГЦН. Рассматриваются два эксперимента с разным размером пробки. Исходное состояние перед началом опыта: все ГЦН отключены, в одной петле формируется пробка солевого раствора (трассера) с двумя разными объёмами. В первом опыте объём пробки в модели 0,072 м³, что эквивалентно пробке объёмом 9 м³ в реальной реакторной установке. Во втором опыте объём пробки увеличивается вдвое до 0,144 м³ (18 м³ соответственно для реактора). Время выхода расхода на установившееся состояние в обоих опытах должно составлять 15 с. Установившееся значение расхода для обоих опытов одинаковое и равно 220 м³/ч. По неработающим петлям в процессе эксперимента устанавливается обратный ток.

Вторая группа - эксперименты, моделирующие перемешивание потоков с разной концентрацией бора при восстановлении естественной циркуляции во время аварии с малой течью теплоносителя. Исходное состояние перед опытом: все ГЦН отключены, пробка солевого раствора объёмом 0,072 м³ сформирована в одной из циркуляционных петель. Восстановление циркуляции моделируется пуском ГЦН той петли, в которой находится пробка конденсата. Установившееся значение расхода по петле 20 м³/ч. Время выхода расхода на установившееся состояние должно составлять 10 с. Неработающие петли закрыты. Рассматриваются три эксперимента с разной плотностью пробки конденсата. Плотность пробки изменяется за счёт добавления в воду сахара. Соотношение плотностей пробки и основного теплоносителя: 0,98; 1,0 и 1,05.

Третья группа - эксперименты, моделирующие разрыв паропровода и несимметричный впрыск бора в одну или несколько петель. Всего пять экспериментов.

В таблице 1 приведены основные характеристики выбранных для верификации экспериментов.

реактор теплоноситель перемешивание

Таблица 1 - Основные характеристики экспериментов

Так как опыты проводились без моделирования мощности в активной зоне, верификационные расчеты выполнялись без использования модуля расчета нейтронной кинетики.

На рисунках 2-9 представлены результаты эксперимента 6 /6/ и результаты расчета. На рисунках 2-5 представлены значения концентрации соли в характерных местах в эксперименте и в расчетах по кодам. На рисунках 6-9 представлены топограммы распределения концентрации соли на входе в активную зону в момент времени 94 с. Все коды достаточно хорошо предсказывают распределение концентрации соли на входе в активную зону. Следует отметить, что в эксперименте наблюдалась закрутка потока. В кодах ТРАП-КС, ДКМ и КОРСАР/ГП с модулем КАМЕРА закрутка потока задается в исходных данных, а при расчете по коду КОРСАР эта закрутка не моделируется. Однако, отсутствие закрутки потока, приводит к более консервативному результату, снижая межпетлевое перемешивание.

На рисунках 10-17 представлены результаты эксперимента 7 и результаты расчета. Результаты расчетов качественно согласуются с результатами эксперимента. Как в расчете, так и в эксперименте в момент достижения концентрации соли максимального значения на входе в модель реактора, форма поля повышенного солесодержания близка к секторной. В эксперименте не наблюдается азимутального смещения фронта повышенной концентрации соли на входе в модель активной зоны относительно входных патрубков. На рисунках 14-17 приведены топограммы значений концентраций соли на входе в активную зону в эксперименте и в расчете в момент времени 145 с процесса.

На рисунках 18-25 представлены результаты эксперимента 9 и результаты расчета. Анализ результатов расчета и результатов эксперимента показывает, что качественно картина распределения концентрации соли на входе в модель активной зоны похожа. В момент достижения наибольшей концентрации соли на входе в модель активной зоны образуется сектор. Однако, в расчете по коду КОРСАР/ГП не моделируется азимутальное смещение сектора на входе в активную зону. Топограммы распределения концентрации соли на входе в модель активной зоны, построенные по экспериментальным данным, показывают, что солевой раствор, впрыскиваемый в петлю №2, попадая в проточную часть модели реактора, распространяется по сечению активной зоны широким сектором. При этом сектор, в отличие от эксперимента №6, где работали все четыре ГЦН, более широкий и смещен в сторону неработающей петли №3. Однако, размытие этого сектора происходит в направлении против часовой стрелки.

Топограммы концентрации соли на входе в активную зону, построенные по результатам расчетов, показывают, что все коды достаточно хорошо моделируют распределение концентрации соли на входе в активную зону в этом эксперименте.

Результаты первых пяти экспериментов, при пуске ГЦН и экспериментов, моделирующих перемешивание потоков с разной плотностью при расходах, соответствующих уровню естественной циркуляции, подтверждают используемое ранее предположение о применимости модели полного перемешивания теплоносителя в напорной камере реактора в условиях вялой циркуляции теплоносителя в первом контуре РУ. Условия этих экспериментов характерны для запроектных аварий.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что результаты верификационных расчетов подтвердили способность программных комплексов

ТРАП-КС, ДКМ и КОРСАР/ГП в целом по установки рассчитывать переходные процессы, моделирующие межпетлевое перемешивание теплоносителя при несимметричной работе петель при выбранных с помощью вариантных расчетов оптимальных значениях Кт и б_аз.

Рисунок 2 - Эксперимент 6 (датчик 60) Рисунок 3 - Эксперимент 6 (датчик 64)

Рисунок 4 - Эксперимент 6 (датчик 79) Рисунок 5 - Эксперимент 6 (вх. патр. петли 4)

Рис. 6 - Эксперимент Рисунок 7 - ТРАП-КС

Рис. 8 - КОРСАР/ГП Рис. 9 - КОРСАР/ГП (КАМЕРА)

Рисунок 10 - Эксперимент 7 (датчик 16) Рисунок 11 - Эксперимент 7 (датчик 2)

Рисунок 12 - Эксперимент 7 (датчик 23) Рисунок 13 - Эксперимент 7 (вх. патр. петли 2)

Рисунок 14 - Эксперимент Рисунок 15 - ТРАП-КС

Рисунок 16 - ДКМ Рисунок 17 - КОРСАР/ГП (КАМЕРА)

Рисунок 18 - Эксперимент 9 (датчик 42) Рисунок 19 - Эксперимент 9 (датчик 23)

Рисунок 20 - Эксперимент 9 (датчик 64) Рисунок 21 - Эксперимент 9 (вх. патр. петли 2)

Рисунок 22 - Эксперимент Рисунок 23 - ТРАП-КС

Рисунок 24 - ДКМ Рисунок 25 - КОРСАР/ГП

Литература

1. М.А.Быков, С.И.Зайцев, Ю.В.Беляев, Г.В.Алехин (ФГУП ОКБ “Гидропресс”) А.П.Егоров, В.И.Гусев (ФГУП НИТИ им. А.П.Александрова). Развитие комплекса ТРАП. Учет пространственных эффектов. “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР”. 4-я международная научно-техническая конференция, г. Подольск, Россия, 23-26 мая 2005г.

2. G.V.Alekhin, Yu.V.Belyaev, S.I.Zaitsev, M.A.Bykov, Yu.N.Nadinsky, O.V.Kudryavtsev. Experimental&Design organization “Gidropress”, Podolsk, RF. Development of local parameters in VVER core considering Ј-D kinetics. Proceedings of the thirtennth Symposium of AER. Dresden. Germany. 22-26 September 2003.

3. V. Vasilenko, Yu. Migrov, S. Volkova et al. Experience of development and basic characteristics of new generation thermo-hydraulic code KORSAR. In Russian periodical “Heat-and-Power Engineering”, 2002, Number 11, p. 11-16.

4. V. Vasilenko, Yu. Migrov, Yu. Dragunov et al. Thermo-hydraulic code KORSAR. The state of development and operational experience. The 3^-th Scientific and Technical Conference on Safety assurance of NPP with WWER, CD Proceedings, May 26-30, 2003, Podolsk, Russia.

5. Nuclear Science and Design, v/162, pp/245-256, 1996.

6. S. Kliem, T. Hoehne, U. Rohde, M. Быков, E. Лисенков. Comparative evaluation of coolant mixing experiments at the ROCOM and the GIDROPRESS test facilities. The 6^-th International Scientific and Technical Conference on Safety assurance of NPP with WWER, CD Proceedings, May 26-29, 2009, Podolsk, Russia.

Размещено на Allbest.ru